DE19857615C1 - Hebelübersetzer - Google Patents

Abstract

Zur Übertragung einer Auslenkung eines Aktors auf ein Stellglied, insbesondere bei einem Einspritzventil, wird ein Hebelübersetzer verwendet, der sich mit Gleitelementen in Kontakt mit dem Aktor und dem Stellglied befindet, wobei die Berührflächen mit den Gleitelementen bzw. mit einem Gegenlager konvex oder konkav gewölbt ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen einer Auslenkung eines Aktors auf ein Stellglied gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Vorrichtung, im wei­ teren auch als Hebelübersetzer bezeichnet, ist aus der US- 4,101,076 bekannt.

In der US-4,101,076 wird ein Einspritzventil beschrie­ ben, das einen piezoelektrischen Aktor aufweist, der mittels eines Hebelübersetzers direkt eine Einspritznadel ansteuert. Der Hebelübersetzer weist zwei unterschiedlich lange Hebel­ arme auf, die im rechten Winkel miteinander verbunden sind. Der kürzere Hebelarm befindet sich in Kontakt mit dem pie­ zoelektrischen Aktor und der längere Hebelarm in Kontakt mit der Einspritznadel. Der Hebelübersetzer ist weiterhin in sei­ nem Winkelbereich am Gehäuse des Einspritzventils abgestützt. Bei einer Auslenkung des piezoelektrischen Aktors wird der Hebelübersetzer um einen Drehpunkt im Winkelbereich gedreht und erzeugt aufgrund der unterschiedlichen Längen der zwei Hebelarme eine größere Auslenkung der Einspritznadel.

Die Form des in der US-4,101,076 eingesetzten Hebelüber­ setzers zeigt nur eine mäßige Steifigkeit, die insbesondere bei hochdynamischen Schaltvorgängen des Einspritzventils zu einer Ungenauigkeit bei der Übertragung der Auslenkung führt. Weiterhin hat der Hebelübersetzer an seinen drei Auflagepunk­ ten am piezoelektrischen Aktor, an der Einspritznadel bzw. am Gehäuse des Einspritzventils nur eine linienförmige Berüh­ rung, so daß sich aufgrund der auftretenden Druckkräfte Ver­ formungen und Spannungen ergeben, die zu einem hohen Ver­ schleiß führen, der wiederum unmittelbar einen Hubverlust be­ wirken kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrich­ tung zum Übertragen einer Auslenkung eines Aktors auf ein Stellglied bereitzustellen, die sich durch einen geringen Verschleiß auch bei hochdynamischen Schaltvorgängen auszeich­ net.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Übertragen einer Auslenkung eines Aktors auf ein Stellglied ermöglicht durch eine gewölbte Formgebung der Berührungsflächen mit dem Aktor, dem Stellglied bzw. einem Gegenlager eine Flächenberührung, wodurch die vertikal wirkenden Druckkräfte großflächig ver­ teilt und damit die daraus resultierenden Verformungen und Verspannungen verringert werden. Dies führt zu einer Reduzie­ rung des Verschleißes beim Hebelübersetzer und damit zu einer zuverlässigen Einhaltung des übertragenen Hubes auch bei den hohen Schaltgeschwindigkeiten und der großen Anzahl von Zy­ klen des Aktors.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind zwischen dem Hebelübersetzer und dem Aktor bzw. dem Hebelübersetzer und dem Stellglied jeweils Gleitelemente angeordnet, die eine ebene Auflagefläche mit dem Aktor bzw. dem Stellglied bilden, so daß die bei der Drehung des Hebelübersetzers auftretenden Horizontalbewegung zwischen dem Hebelübersetzer und dem Aktor bzw. dem Hebelübersetzer und dem Stellglied durch die großen Reibflächen aufgenommen werden können. Durch diese konstruk­ tive Ausgestaltung wird die Flächenpressung zwischen dem He­ belübersetzer und dem Aktor bzw. dem Hebelübersetzer und dem Stellglied verringert und somit die Verschleißfestigkeit wei­ ter verbessert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein Einspritzventil mit einem erfindungsgemä­ ßen Hebelübersetzer, und

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung des in Fig. 1 gezeigten Hebelübersetzers.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Stellantrieb eines Kraftstoffeinspritzventils, der sich im wesentlichen aus einem Ventilgehäuse 1 mit einer stufenartig ausgebildeten Innenbohrung 11, einem piezoelektrischen Aktor 2 und einem Stellglied 3 zusammensetzt. Der piezoelektrische Aktor 2 ist dabei aus mehreren übereinandergestapelten pie­ zoelektrischen Elementen 21 aufgebaut, die in einem als Rohr­ feder ausgebildeten Hohlkörper 22 angeordnet sind. Dieser Hohlkörper 22 ist mit einer Kopfplatte 23 und einer Boden­ platte 24 verbunden, wobei die aufeinandergestapelten pie­ zoelektrischen Aktorelemente 21 mit einer definierten Kraft von vorzugsweise 800 bis 1000 N vorgespannt werden. Zum An­ steuern des piezoelektrischen Aktors 2 sind die Aktorelemente 21 leitend mit aus der Kopfplatte 23 hervorstehenden Kontakt­ stiften (nicht gezeigt) verbunden, die in einem auf dem Aktor aufgesetzten Aktoranschluß 4 mit einer Spannung belegt wer­ den, wodurch eine Längsdehnung beim piezoelektrischen Aktor 2 hervorgerufen wird.

Der piezoelektrische Aktor 2 ist weiter in einem Aktor­ gehäuse 25 angeordnet, das am oberen Ende der stufig ausge­ bildeten Innenbohrung 11 im Ventilgehäuse 1 fest eingespannt ist. Hierbei wird das Aktorgehäuse 25 auf eine ringförmig um­ laufende Auflagescheibe 51 gedrückt, die wiederum mit einer ringförmig umlaufenden Einstellscheibe 52 gegen einen Absatz an der Innenbohrung 11 abgestützt ist. Das Aktorgehäuse 25 wird dabei von einer Hohlschraube 12 festgehalten, die an ei­ nem um das Aktorgehäuse 25 umlaufenden Spannring 26 angreift und mit dem Ventilgehäuse 1 verschraubt ist.

Die Bodenplatte 24 des piezoelektrischen Aktors 2 ist mittig mit einem vorzugsweise kreisrunden Aufsatz 241 verse­ hen. Um diesen Aufsatz 241 herum ist, fest mit der Boden­ platte 24 verbunden, eine scheibenförmige Membran 6 angeord­ net, die sich von der Bodenplatte 24 bis zur Innenwandung des Ventilgehäuses 1 erstreckt. Die scheibenförmige Membran 6 wird dabei in ihrem Außenbereich zwischen der Auflagescheibe 51 und dem Aktorgehäuse 25 festgehalten. Die Membran 6 dient dazu, den piezoelektrischen Aktor 2 vor einer Leckage von Kraftstoff aus dem Einspritzventil zu schützen.

Die durch Elektrostriktion erzeugte Auslenkung des pie­ zoelektrischen Aktors 2 wird von einem Hebelübersetzer 8 auf ein Stellglied 3 übertragen. Der Hebelübersetzer 8 steht da­ bei über ein erstes Gleitelement 9 mit dem Aufsatz 241 der Bodenplatte 24 und über ein zweites Gleitelement 10 mit einem Ventilkolben 31 des Stellglieds 3 in Verbindung. Der Hebel­ übersetzer 8 ist von der Einstellscheibe 52 eingefaßt und mit einem weiteren Schenkel auf einer unterhalb der Einstell­ scheibe 52 angeordneten Gegenlagerscheibe 53, die auf einem in der Innenbohrung 11 des Ventilgehäuses 1 ausgebildeten Ab­ satz aufliegt, abgestützt.

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung den Hebel­ übersetzer 8 mit dem ersten Gleitelement 9 und dem zweiten Gleitelement 10 sowie Teilen der Gegenlagerscheibe 53 und des Ventilkolbens 31. Der Hebelübersetzer 8 ist im wesentlichen scheibenförmig ausgebildet, wobei die seitlichen Begrenzungs­ flächen weitgehend der Form eines Dreiecks mit einer abge­ platteten Spitze und abgerundeten Ecken entspricht. Die Drei­ ecksform sorgt für eine hohe Steifigkeit des Hebelübersetzers 8 gegen Verformungen und Verspannungen. Die scheibenförmige Ausgestaltung ermöglicht eine einfache Herstellung, da sich die Konturen des Hebelübersetzers in einfacher Weise in eine Stange einschleifen lassen. Der Hebelübersetzer 8 kann dann durch Abschneiden von Scheiben aus dieser Stange hergestellt werden. Dieses Verfahren ermöglicht weiterhin mit einer hohen Genauigkeit die Herstellung identischer Hebelübersetzer.

Der Hebelübersetzer 8 ist an seiner dem piezoelektri­ schen Aktor 2 zugeordneten abgeplatteten Dreieckspitze mit einer halbkreisförmigen Nut 81 versehen, in die das zwischen dem piezoelektrischen Aktor 2 und dem Hebelübersetzer 8 ange­ ordnete Gleitelement 9 eingreift. Dieses erste Gleitelement 9 hat, wie die Nut 81 im Hebelübersetzer 8, im wesentlichen die Form eines mittig durchgeschnittenen geraden Kreiszylinders, wobei die Form einer Mantelfläche 91 an die Form der Nut 81 angepaßt ist. Eine Rückfläche 92 des ersten Gleitelements 9 ist im wesentlichen eben ausgebildet und liegt, wie Fig. 1 zeigt, am Aufsatz 241 des Aktorbodens 24 an.

An einer Basisfläche des Hebelübersetzers 8 im Bereich der abgerundeten Enden sind weiterhin jeweils ein halbkreis­ förmiger Höcker 82, 83 ausgebildet, die im wesentlichen die Form eines mittig durchgeschnittenen geraden Kreiszylinders aufweisen. Der erste Höcker 82 greift in eine im zweiten Gleitelement 10 ausgebildete halbkreisförmige Nut 101 ein, deren Form an die Außenform des ersten Höckers 82 angepaßt ist. Eine der Nut 101 am zweiten Gleitelement 10 gegenüber­ liegende Rückfläche 102 ist im wesentlichen eben ausgebildet und liegt auf einer Stirnfläche 311 des Ventilkolbens 31 auf. Der zweite Höcker 83 am Hebelübersetzer 8 greift in eine in der Gegenlagerscheibe 53 ausgebildete Nut 531 ein, wobei die Form der Nut 531 an die Außenform des zweiten Höckers 83 an­ gepaßt ist. Die innenliegende Kante 532 der Gegenlagerscheibe 53 ist weiterhin so abgerundet, daß sie eine Drehbewegung des Hebelübersetzers 8 um den Höcker 83 nicht behindert.

Der in Fig. 1 dargestellte Stellantrieb mit einem He­ belübersetzer 8, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, funktioniert wie folgt:

Bei einer Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 2 be­ wirkt die durch Elektrostriktion hervorgerufene Längsdehnung des Aktors, daß die Bodenplatte 24 in die Innenbohrung 11 des Ventilgehäuses 1 vorgeschoben wird, wobei sich die Membran 6 ausdehnt. Dabei drückt der Aufsatz 241 am Aktorboden 24 gegen die Rückfläche 92 am ersten Gleitelement 9. Das erste Gleit­ element 9 überträgt diesen Druck mit seiner Mantelfläche 91 weiter auf die Nut 81 im Hebelübersetzer 8, wodurch sich der Hebelübersetzer 8 um einen Drehpunkt, der senkrecht über der Berührfläche zwischen dem zweiten Höcker 83 und der Nut 531 in der Gegenlagerscheibe 53 liegt, dreht. Durch diese Drehbe­ wegung wird über den ersten Höcker 82 Druck auf die Nut 101 im zweiten Gleitelement 10 ausgeübt, der von der Rückfläche 102 des zweiten Gleitelements 10 weiter auf die Stirnfläche 311 des Ventilkolbens 31 übertragen wird, wodurch der Ventil­ kolben 31 tiefer in die Innenbohrung 11 des Ventilgehäuses 1 vorgeschoben wird. Die Bewegung des Ventilkolbens 31 des Stellgliedes 3 kann dann im Kraftstoffeinspritzventil z. B. zum Öffnen einer Einspritznadel (nicht gezeigt) genutzt wer­ den.

Das Übersetzungsverhältnis der Aktorbewegung auf die Ventilkolbenbewegung wird durch ein Verhältnis des ersten ef­ fektiven Abstands b zwischen dem zweiten Höcker 83, der in der Nut 531 der Gegenlagerscheibe 53 angeordnet ist, und dem ersten Höcker 82, der in der Nut 101 der zweiten Gleitele­ ments 10 sitzt, zum effektiven Abstand a zwischen dem zweiten Höcker 83 und der Nut 81, in das das erste Gleitelement 9 eingreift, bestimmt. Hierdurch kann die Auslenkung des pie­ zoelektrischen Aktors 2 in eine vergrößerte Auslenkung des Ventilkolbens 31 umgesetzt werden.

Wesentlich für die erfindungsgemäße Auslegung des Hebel­ übersetzers 8 ist es, eine große Fläche bei der Kraftüber­ tragung vom piezoelektrischen Aktor 2 auf den Hebelübersetzer 8 und vom Hebelübersetzer 8 weiter auf das Stellglied 3 zu erreicht. Dies wird durch die konvex bzw. konkav gewölbten Kontaktflächen in der Nut 81 sowie an dem ersten Höcker 82 und dem zweiten Höcker 83 erreicht, die für eine große Flä­ chenberührung und damit eine Verringerung der Flächenpressung sorgen.

Durch den Einsatz des ersten Gleitelements 9 zwischen dem Hebelübersetzer 8 und dem piezoelektrischen Aktor 2 bzw. des zweiten Gleitelements 10 zwischen dem Hebelübersetzer 8 und dem Stellglied 3 wird weiterhin die aufgrund der Drehbe­ wegung des Hebelübersetzers 8 auftretende horizontale Ver­ schiebung der Kontaktbereiche des Hebelübersetzers 8 mit dem Aufsatz 241 der Aktorbodenplatte 24 bzw. der Stirnfläche 311 des Ventilkolbens 31 durch diese Gleitelemente aufgenommen. Die Horizontalverschiebung erfolgt dann zwischen der am Auf­ satz 241 anliegende Rückfläche 92 des ersten Gleitelements 9 und der an der Stirnfläche 311 des Ventilkolbens 31 auflie­ genden Rückfläche 102 des zweiten Gleitelements 10. Aufgrund der großen Reibflächen tritt jedoch nur eine geringe Flächen­ pressung auf, so daß sich der aufgrund von Spannungen und Verformungen hervorgerufene Verschleiß wesentlich reduzieren läßt. Weiterhin wird durch die Zwischenschaltung des ersten Gleitelements 9 zwischen dem piezoelektrischen Aktor 2 und dem Hebelübersetzer 8 und des zweiten Gleitelements 10 zwi­ schen dem Hebelübersetzer 8 und dem Stellglied 3 gewähr­ leistet, daß bei jeder Winkellage des Hebelübersetzers 8 eine Flächenberührung in der Nut 81 bzw. am ersten Höcker 82 bei der Kraftübertragung stattfindet, wodurch sich die Flächen­ pressung und damit der Verschleiß am Hebelübersetzer 8 weiter verringern lassen. Dies führt angesichts der hohen Kräfte, die auf den Hebelübersetzer 8 wirken, sowie die großen Schaltgeschwindigkeiten bei Kraftstoffeinspritzventilen zu einer wesentlichen Verbesserung.

Alternativ zu der in Fig. 2 dargestellten halbzylinder­ förmigen Ausgestaltung der Berührungsflächen in der Nut 81 sowie an den Höckern 82, 83 könnte auch eine Ausgestaltung in Form von Kugelmantelabschnitten erfolgen. Je nach konstrukti­ ver Ausgestaltung des Einspritzventils könnten jedoch auch nur die Nut oder einer der Höcker in Form eines Kugelman­ telabschnitts ausgebildet werden. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, einen der beiden Höcker 81, 82 bzw. beide Höcker am Hebelübersetzer 8 durch eine Nut zu ersetzen bzw. statt der Nut 81 am Hebelübersetzer 8 einen Höcker auszuführen.

Alternativ zu der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausfüh­ rungsform kann, wenn nur ein geringer Hub übertragen wird und darüber hinaus ein ausreichendes Spiel vorhanden ist, die Bo­ denplatte 24 des Aktors 2 über einen Höcker direkt in die Nut 81 am Hebelübersetzer 8 bzw. der erste Höcker 82 am Hebel­ übersetzer 8 in eine Nut in der Stirnfläche 311 des Ventil­ kolbens 31 eingreifen, wodurch für eine ausreichende Berühr­ fläche und damit eine geringe Flächenpressung gesorgt ist. Statt der in Fig. 1 gezeigten Anordnung mit einem Hebelüber­ setzer besteht auch die Möglichkeit, zwei oder mehrere Hebel­ übersetzer zwischen dem piezoelektrischen Aktor 2 und dem Stellglied 3 zu verwenden. Für eine reibungsfreie Ansteuerung des Stellglieds ist jedoch bei der Anordnung von mehreren He­ belübersetzern darauf zu achten, daß die Kraft vom Aktor mit­ tig oder gleichmäßig verteilt auf das Stellglied übertragen wird, damit kein Drehmoment im Stellglied auftritt. Hierzu werden die Hebelübersetzer vorzugsweise symmetrisch zu einer Mittelachse durch das Stellglied ausgerichtet.

Claims (7)

1. Vorrichtung, insbesondere für ein Ventil eines Kraft­ stoffeinspritzsystems zum Übertragen einer Auslenkung eines Aktors (2) auf ein Stellglied (3) mit einem Übertragungsele­ ment (8), das einen ersten, zweiten und dritten Auflagebe­ reich (81, 82, 83) aufweist, wobei der erste Auflagebereich (81) sich in Kontakt mit einem ersten Berührbereich (91), der dem Aktor zugeordnet ist, der zweite, vom ersten beabstandete Auflagebereich (82) sich in Kontakt mit einem zweiten Berühr­ bereich (101), der dem Stellglied zugeordnet ist, und der dritte, vom ersten und zweiten beabstandete Auflagebereich (83) sich in Kontakt mit einem dritten Berührbereich (531), der einem festen Gegenlager (53) zugeordnet ist, befindet und wobei das Übertragungselement so angeordnet ist, dass die Auslenkung des Aktors durch eine Drehbewegung des Übertra­ gungselements um einen Drehpunkt auf das Stellglied vergrö­ ßert übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, zweite und dritte Auflagebereich (81, 82, 83) jeweils einen konvex oder konkav gewölbten Oberflächenbereich aufweisen, die in einen zugehörigen entgegengesetzt konkav o­ der konvex gewölbten Oberflächenbereich im ersten, zweiten bzw. dritten Berührbereich (91, 101, 531) eingreifen, wobei die einander zugehörigen Oberflächenbereiche in ihren Radien zur Verringerung der Flächenpressung aneinander angepasst sind.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Berührbereich (91) Teil eines Gleitelements (9) ist, das eine ebene Auflagefläche (92) aufweist, die sich in Kontakt mit einer ebenen Berührfläche (241) am Aktor (2) befindet.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der zweite Berührbereich (101) Teil eines Gleitelements (10) ist, das eine ebene Auflagefläche (102) aufweist, die sich in Kontakt mit einer ebenen Berührfläche (311) am Stellglied (3) befindet.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die konkav oder konvex gewölbte Oberflä­ chenbereiche an den ersten, zweiten und dritten Auflageberei­ chen (81, 82, 83) des Übertragungselements (8) und die zuge­ hörigen entgegengesetzt konvex oder konkav gewölbten Oberflä­ chenbereichen an den ersten, zweiten und dritten Berührberei­ chen (91, 101, 531) jeweils entweder die Form eines Zylinder­ mantelabschnitts oder die Form eines Kugelmantelabschnitts aufweisen.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (8) im Quer­ schnitt im wesentlichen eine Dreiecksform aufweist.

6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (8) scheibenför­ mig ausgebildet ist.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (2) ein Piezoaktor ist.